Agujeros negros primordiales y la búsqueda de materia oscura del multiverso

El Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) alberga muchos proyectos interdisciplinarios que se benefician de la sinergia de una amplia gama de conocimientos especializados disponibles en el instituto. Uno de esos proyectos es el estudio de los agujeros negros que podrían haberse formado en el universo temprano, antes de que nacieran las estrellas y las galaxias.

Dichos agujeros negros primordiales (PBH) podrían representar la totalidad o parte de la materia oscura, ser responsables de algunas de las señales de ondas gravitacionales observadas y generar agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de nuestra galaxia y otras galaxias. También podrían desempeñar un papel en la síntesis de elementos pesados ​​cuando chocan con estrellas de neutrones y las destruyen, liberando material rico en neutrones. En particular, existe la excitante posibilidad de que la misteriosa materia oscura, que representa la mayor parte de la materia del universo, esté compuesta de agujeros negros primordiales. El Premio Nobel de Física 2020 fue otorgado a un teórico, Roger Penrose, y a dos astrónomos, Reinhard Genzel y Andrea Ghez, por sus descubrimientos que confirmaron la existencia de agujeros negros. Dado que se sabe que los agujeros negros existen en la naturaleza, son un candidato muy atractivo para la materia oscura.

El reciente progreso en la teoría fundamental, la astrofísica y las observaciones astronómicas en busca de PBH ha sido realizado por un equipo internacional de físicos de partículas, cosmólogos y astrónomos, incluidos los miembros de Kavli IPMU Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada y Volodymyr Takhistov.

Para obtener más información sobre los agujeros negros primordiales, el equipo de investigación examinó el universo temprano en busca de pistas. El universo primitivo era tan denso que cualquier fluctuación de densidad positiva de más del 50 por ciento crearía un agujero negro. Sin embargo, se sabe que las perturbaciones cosmológicas que sembraron las galaxias son mucho más pequeñas. Sin embargo, una serie de procesos en el universo temprano podrían haber creado las condiciones adecuadas para que se formaran los agujeros negros.

Una posibilidad interesante es que los agujeros negros primordiales podrían formarse a partir de los “universos bebés” creados durante la inflación, un período de rápida expansión que se cree que es responsable de sembrar las estructuras que observamos hoy, como las galaxias y los cúmulos de galaxias. Durante la inflación, los universos bebés pueden ramificarse de nuestro universo. Un pequeño universo bebé (o “hija”) eventualmente colapsaría, pero la gran cantidad de energía liberada en el pequeño volumen hace que se forme un agujero negro.

Un destino aún más peculiar aguarda a un universo bebé más grande. Si es más grande que un tamaño crítico, la teoría de la gravedad de Einstein permite que el universo bebé exista en un estado que parece diferente para un observador en el interior y el exterior. Un observador interno lo ve como un universo en expansión, mientras que un observador externo (como nosotros) lo ve como un agujero negro. En cualquier caso, los universos bebé grande y pequeño son vistos por nosotros como agujeros negros primordiales, que ocultan la estructura subyacente de múltiples universos detrás de sus “horizontes de eventos”. El horizonte de sucesos es un límite por debajo del cual todo, incluso la luz, está atrapado y no puede escapar del agujero negro.

En su artículo, el equipo describió un escenario novedoso para la formación de PBH y mostró que los agujeros negros del escenario del “multiverso” se pueden encontrar usando el Hyper Suprime-Cam (HSC) del Telescopio Subaru de 8.2m, una gigantesca cámara digital – la gestión de la cual Kavli IPMU ha jugado un papel crucial – cerca de la cumbre de 4.200 metros del monte. Mauna Kea en Hawaii. Su trabajo es una emocionante extensión de la búsqueda de HSC de PBH que Masahiro Takada, un investigador principal de Kavli IPMU, y su equipo están realizando. El equipo de HSC ha informado recientemente sobre las principales limitaciones de la existencia de PBH en Niikura, Takada et. Alabama. (Astronomía de la naturaleza 3, 524-534 (2019))

¿Por qué el HSC fue indispensable en esta investigación? El HSC tiene una capacidad única para obtener imágenes de toda la galaxia de Andrómeda cada pocos minutos. Si un agujero negro pasa a través de la línea de visión hacia una de las estrellas, la gravedad del agujero negro dobla los rayos de luz y hace que la estrella parezca más brillante que antes durante un corto período de tiempo. La duración del brillo de la estrella les dice a los astrónomos la masa del agujero negro. Con las observaciones de HSC, uno puede observar simultáneamente cien millones de estrellas, arrojando una amplia red de agujeros negros primordiales que pueden estar cruzando una de las líneas de visión.

Las primeras observaciones de HSC ya han informado de un evento candidato muy intrigante consistente con un PBH del “multiverso”, con una masa de agujero negro comparable a la masa de la Luna. Animado por este primer signo y guiado por la nueva comprensión teórica, el equipo está llevando a cabo una nueva ronda de observaciones para extender la búsqueda y proporcionar una prueba definitiva de si los PBH del escenario del multiverso pueden explicar toda la materia oscura.

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